Пристрій для виміру параметрів рідких речовин

Пристрій для виміру параметрів рідких речовин, що включає генератор високочастотних коливань, вимірювальний елемент, чутливий до зміни діелектричної постійної поміщеної в нього досліджуваної речовини, зв'язані з вимірювальним елементом послідовно включені узгоджуючий пристрій, детектор та індикатор, який відрізняється тим, що в нього введений вимірювальний ємнісний міст, підключений однією з діагоналей до виходу високочастотного генератора, а іншою - до уз годжу вального пристрою, а вимірювальний елемент включений в одне з плечей вимірювального моста - з ємнісним підстроюванням балансу в суміжному плечі та виконаний у вигляді порожнистого циліндричного конденсатора з відкритим верхнім торцем, при цьому конденсатор складається з металевого циліндра і встановленого усередині нього по осі на ІЗОЛЮЮЧІЙ підкладці осесиметричного металевого стрижня з плоским торцем, причому коефіцієнт температурного розширення металу стрижня більший, ніж коефіцієнт температурного розширення металу циліндра, а сам стрижень виконаний з перемінним по його висоті діаметром таким чином, що ємність вимірювального конденсатора, заповненого досліджуваною рідкою речовиною, у заданому інтервалі робочих температур постійна Винахід відноситься до області аналізу матеріалів і речовин шляхом виміру їхніх фізичних параметрів за допомогою радіотехнічних методів і засобів і може знайти застосування для аналізу рідких палив, зокрема, бензину для визначення його октанового числа в процесі виробництва, атестації і сертифікації, збереження, транспортування, розливу на АЭС, у практиці роботи служб, у тому числі екологічних, санітарно-гігієнічних, захисту прав споживачів і ін Коливання параметрів рідких палив обумовлені розходженнями в хіміко-фізичних параметрах вихідної сировини, особливостями технології виробництва, наприклад способів крекінгу або риформінгу нафти, а також умовами їхнього збереження, транспортування й інших причин Загальноприйнятими показниками антидетонаційних властивостей-бензину є його октанове число, що залежить від структури вуглеводнів, що входять до складу бензину Молекулярний склад бензинів сильно впливає на легкість запалення при його стисканні (детонацію), що викликає характерний стукіт роботи мотора Причиною детонації є передчасне запалення пальної суміші в циліндрах двигуна Звичайно детонаційну СТІЙКІСТЬ бензину визначають в умовних одиницях - октанових числах, причому прийняте вважати октанове число ізооктану рівним 100 Найбільшу здатність до детонації мають бензини, що містять вуглеводні нормальної структури, зокрема Н-гептан, октанове число якого умовилися вважати рівним нулю (див В Г Жиряков Органічна ХІМІЯ, М , 1966р 58с) Існуючі в даний час методи виміру октанових чисел бензинів, що базуються на моторному методі (ГОСТ 511-82, СТ СЭВ 2243-80) складні в реалізації, вимагають громіздкого устаткування, спеціальних реактивів, займають багато часу і не придатні для оперативного контролю стабільності технологічного процесу, спрямованого на виробництво бензину з заданим чи максимально можливим октановим числом На практиці контроль октанового числа бензину проводиться епізодично, вибірково, що може привести до відхилення параметрів бензину від вимог ГОСТ 2084-77 чи інших нормативних доку ю ю 59541 ментів У такий спосіб в умовах, коли бензин є одним з основних джерел енергії двигунів внутрішнього згоряння, контроль його якості, у тому числі по параметрах, що впливають на забруднення атмосфери і поверхні розподілу, як і раніше є одним з найбільш актуальних завдань сучасної енергетики та екології У сучасних умовах дуже актуальною є також можливість розпізнавання різних фальсифікацій і підробок, пропонованих власникам транспортних засобів на АЗС, утому числі і власникам АЗС при придбанні ними відносно невеликих партій бензину від різних, у тому числі і закордонних, постачальників У таких умовах потрібно відносно простий, надійний і швидкий аналіз бензину Відомий моторний метод визначення октанового числа палива для двигунів (ГОСТ 511-82, СТ СЭВ 2243-80) Суть метода - порівняння детонаційної СТІЙКОСТІ використовуваного палива з детонаційною СТІЙКІСТЮ еталонного палива, наприклад ізооктану, вираженої октановим числом При цьому використовується одноциліндрова установка типу УИТ-65 чи інша з перемінним ступенем стиску, у комплекті з електронним аналізатором детонації, а також набір еталонних палив Метод містить у собі етап підготовки до ІСПИТІВ, ІСПИТИ Й обробку результатів з обчисленням октанового числа випробуваного палива Незважаючи на те, що даний метод є загальноприйнятим, він непридатний для оперативного контролю технологічного процесу, крім того він має такі недоліки, як принципова тривалість вимірів, залежність показань від атмосферного тиску, складність у реалізації, утому числі при автоматизації процесу, великі габарити, вага і т д Відомий спосіб визначення октанового числа палива (ас СССР № 1416909 М кл 4 GOI 33/22), при якому іспити проводять на реальному двигуні, попередньо прокаліброваному шляхом побудови кривої, що представляє залежність концентрації еталонного вуглеводню, наприклад у мол/л, від відомого октанового числа, отриманих з паспортних даних на паливо При цьому беруть будь-який карбюраторний двигун і будують для нього детонаційну криву, використовуючи для роботи двигуна бензин з відомим октановим числом і еталонні вуглеводні з великою детонаційною СТІЙКІСТЮ Забезпечують послідовну роботу двигуна до детонаційного режиму на сумішах (паливах) з різним процентним співвідношенням еталонного вуглеводню У координатах «відоме октанове число - процентний вміст вуглеводню» будують «крапку», що відповідає процентному вмісту вуглеводню в робочій суміші (паливі) при роботі двигуна в детонаційному режимі Потім ПО ЦІЙ «крапці» на детонаційній кривій визначають октанове число випробуваного палива Даний метод, що є різновидом моторного методу, характеризується всіма недоліками, властивими моторному методу Відомий також спосіб визначення параметрів палива (з-ка Франції, (з-ка № 2 611 911, М кл GOIN 33/22, 21/35)), при якому використовують 14спектрометр, що працює в ближній 14- області спектра, для виміру поглинання зразка в області 4 від 4800 до 4000см \ вибирають потім у цій області N фіксованих значень частот для встановлення статистичних кореляцій із шуканими параметрами октану, розраховують заданий параметр із застосуванням кореляційного співвідношення між N значеннями поглинання Кореляцію визначають експериментально-регресивним методом, незалежно від типу використовуваного спектрометра, з вибором N найбільш інформативних значень частоти Даний спосіб непрямого визначення параметрів палива характеризується використанням складного дорогого устаткування, порівняно великим часом вимірів, що утрудняє його використання для оперативного контролю технологічного процесу виробництва палив Відомий пристрій для визначення параметрів палива (Японія, № 1-68 659, М кл GOIN 33/22), який включає в себе високочастотне обладнання, що збуджує магнітну трубку, включену за допомогою байпаса між паливним баком і паливним насосом, датчики температури і частотомір, що реєструє частоту вібрації магнітної трубки Параметри палива зв'язані з частотою вібрації магнітної трубки і температурою палива По продетектованим вихідним сигналам частотоміра, визначають октанове число палива У даному пристрої використовується різновид моторного методу з усіма вищеописаними недоліками Найближчим аналогом (прототипом) пропонованого технічного рішення є пристрій для контролю концентрації домішок у рідинах шляхом виміру комплексної діелектричної постійної (О И Ястребов, «Применение техники сверхвысоких частот в целлюлозно-бумажном производстве», М , Изд-во «Лесная промышленность», 1977 г С 28 - 30) Пристрій містить високочастотний керований (модульований) генератор, вимірювальний елемент (резонатор), підключений до виходу генератора «на відбиття», блок виміру дійсної частини комплексної діелектричної постійної з механічним приводом відліку її величини, блок виміру уявної частини комплексної діелектричної постійної, що включає в себе детектор, зв'язаний через узгоджувальний пристрій з вимірювальним резонатором, схему порівняння фаз і індикатори дійсної і мнимої частин діелектричної постійної Основними недоліками даного пристрою є низька оперативність і невисока точність вимірів (механічний привід відліку величини діелектричної постійної} В основу винаходу поставлена задача удосконалити пристрій виміру параметрів рідких речовин шляхом скорочення КІЛЬКОСТІ проміжних вимірів, що приводить до підвищення точності і вірогідності результатів ВІДПОВІДНО ДО винаходу, ця задача вирішена в такий спосіб у пристрій для виміру параметрів рідких речовин, що включає генератор високочастотних коливань, вимірювальний елемент, чутливий до зміни діелектричної постійної поміщеної в нього досліджуваної речовини, зв'язані з вимірювальним елементом послідовно включені узгоджувальний пристрій, детектор та індикатор, додатково введений вимірювальний ємнісний міст, 59541 підключений однією з діагоналей до виходу високочастотного генератора, а іншою - до узгоджувального пристрою, а вимірювальний елемент включений в одне з плечей вимірювального моста з ємнісним підстроюванням балансу в суміжному плечі та виконаний у вигляді порожнистого циліндричного конденсатора з відкритим верхнім торцем, при цьому конденсатор складається з металевого циліндра і встановленого усередині нього по осі на ІЗОЛЮЮЧІЙ підкладці осесиметричного металевого стержня з плоским торцем, причому коефіцієнт температурного розширення металу стержня більший коефіцієнта температурного розширення металу циліндра, а сам стержень виконаний з перемінним по його висоті діаметром таким чином, що ємність вимірювального конденсатора, заповненого досліджуваною рідкою речовиною, у заданому інтервалі робочих температур постійна Введення в схему пристрою вимірювального ємнісного моста з ємнісним підстроюванням балансу і конструктивне виконання вимірювального елемента у виді порожнистого циліндричного конденсатора, включеного в одне з плечей моста, оригінальне рішення питання термокомпенсацм ємності цього конденсатора шляхом підбора металу циліндра і металу стержня за значеннями їхніх коефіцієнтів температурного розширення і виконання стержня з перемінним по його висоті діаметром у сукупності дозволили симетрично побудувати схему приладу, компенсувавши тим самим температурні варіації параметрів и елементів і забезпечивши цим необхідну точність і вірогідність результатів виміру октанових чисел бензинів у широкому діапазоні робочих температур - від -20°С до +50°С Сутність винаходу пояснюється ілюстраціями, на яких зображено фіг 1 - структурна схема пропонованого пристрою для виміру параметрів рідких речовин, фіг 2 - конструктивне виконання вимірювального конденсатора, розріз по осі Пропонований пристрій для виміру параметрів рідких речовин містить генератор 1 високочастотних коливань, навантажений на вимірювальний ємнісний міст 2, в одне з плечей якого включений вимірювальний порожнистий циліндричний конденсатор 3, виконаний з відкритим верхнім торцем У суміжне плече моста 2 включений конденсатор перемінної ємності 4 Протилежна підключеній до генератора 1 діагональ моста 2 навантажена на узгоджувальний пристрій 5, виконаний, наприклад, у виді симетричного понижуючого трансформатора 6 Вторинна обмотка трансформатора 6 підключена до детектора 7, виконаного за симетричною схемою з діодами 8, 9, навантаженими на резистори 10, 11 і ємності 12, 13 ВІДПОВІДНО По ПОСТІЙНІЙ складовій ланцюг детектора 7 замикає дросель 14, підключений до середини вторинної обмотки трансформатора 6, з'єднаної також з виходом генератора 1 Між розподіленим навантаженням детектора 7 включений індикатор 15, наприклад, стрілочний прилад, що відображає «розбаланс» моста в процесі вимірів Вимірювальний конденсатор 3 складається з металевого циліндра 16 і встановленого по його осі на ІЗОЛЮЮЧІЙ підкладці 17 осесиметричного металевого стержня 18 із плоским торцем і висотою, меншою висоти циліндра 16 Стержень 18 виконаний з металу, коефіцієнт температурного розширення якого більший коефіцієнта температурного розширення металу циліндра 16 При цьому стержень 18 виконаний з перемінним по його висоті діаметром так, що ємність вимірювального конденсатора 3, заповненого досліджуваною рідкою речовиною, у заданому інтервалі робочих температур постійна Форма поверхні стержня 18 підбирається переважно експериментально, виходячи з різниці значень коефіцієнтів температурного розширення металу циліндра 16 і металу стержня 18 і заданого інтервалу робочих температур приладу Пропонований пристрій стабільно функціонує в діапазоні температур від 20°С до +50°С При збалансованому мосту 2 показання індикатора 15 близькі до нуля Величини ємностей моста 2 і частота генератора 1 підібрані таким чином, щоб вихідний опір генератора 1 і вихідний опір моста 2 були узгоджені Роботі пристрою в штатному режимі передує процес калібрування на стандартній речовині (бензині), параметри якого попередньо встановлені на метрологічно атестованому стенді, наприклад, на моторній установці Після включення пристрою і заливання в порожнину вимірювального конденсатора 3 бензину з відомим октановим числом (перший еталон) перемінним конденсатором 4 виставляють показання індикатора 15, що відповідають октановому числу першого еталонного бензину, наприклад, А-76 Після звільнення конденсатора 3 від першого еталона в нього заливають еталонний бензин з більш високим октановим числом, наприклад, Аи-93 і відзначають на шкалі індикатора 15 нове значення октанового числа Процедуру калібрування проводять на декількох еталонних бензинах, ВІДПОВІДНО ПІД НИХ формується шкала індикатора 15 Проміжні між еталонними значення октанового числа знаходяться методом лінійної інтерполяції Після калібрування прилад готовий до штатної роботи заливання в порожнину вимірювального конденсатора 3 невідомого бензину дозволяє відрахувати по шкалі індикатора 15 його октанове число Експериментально встановлено, що в широкому діапазоні октанових чисел зв'язок між показаннями октанових чисел, виміряних моторним і запропонованим (діелектричним) способами, для відомого сорту сировини і технології виробництва бензину носить функціонально-статистичний характер і тому може бути використаний для експресаналізу октанових чисел неетильованих бензинів При цьому коефіцієнт варіації результатів вимірів не перевищує одиниць ВІДСОТКІВ, а середньоквадратичне значення варіацій істотно нижче його середнього значення Експериментально встановлено, що при дотриманні технологічних умов виробництва, особливо при риформінзі нафти, відстань між різними марками бензину, обмірювана моторним методом і методом діелектрометрм, не відрізняються більш ніж на 0,5 од октанового числа Запропонований пристрій є компактним, переносним, має автономне живлення і може викорис товуватися автолюбителями при контролі бензину на АЗС перед заправкою машин, на нафтобазах при збереженні бензину, в екологічних службах, а також у службах контролю за дотриманням прав Комп'ютерна верстка А Крулевський 59541 8 споживачів Досвід експлуатації запропонованого пристрою підтвердив його високу ефективність, надійність, безпеку в роботі Підписано до друку 06 10 2003 Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ТОВ "Міжнародний науковий комітет", вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна